半導體功率器件起源于歐美，日本后來居上占了半壁江山。和國外廠商相比，國內功率器件行業的產品結構、技術水平和創新能力仍存在較大的差距。不過，通過近些年對國際大廠先進技術的持續引進以及自主創新，我國廠商在功率器件中低端產品上已經實現了部分進口替代，并且在高端產品上也有了一定的突破。

功率半導體器件又被稱為電力電子器件，是電力電子技術的基礎，也是構成電力電子變換裝置的核心器件。

功率半導體品類眾多，市場規模高達452 億美元

從發展歷程來看，20世紀50年代，功率二極管、功率三極管面世并應用于工業和電力系統；20世紀60至70年代，晶閘管等半導體功率器件快速發展；20世紀70年代末，平面型功率MOSFET發展起來；20世紀80年代后期，溝槽型功率MOSFET和IGBT逐步面世，半導體功率器件正式進入電子應用時代；20世紀90年代，超結MOSFET逐步出現，打破傳統“硅限”以滿足大功率和高頻化的應用需求。

功率器件各代產品特點及市場狀況

資料來源：新潔能

技術演進方面，隨著社會電氣化程度的不斷提高，功率半導體器件從早期簡單的二極管逐漸向高性能、集成化方向發展。從結構和等效電路圖看，為滿足更廣泛的應用需求和復雜的應用環境，器件設計及制造難度逐漸提高。

以功率MOSFET為例，技術驅動的性能提升主要包括三個方面：更高的開關頻率、更高的功率密度以及更低的功耗。為了實現更高的性能指標，MOSFET器件主要經歷了工藝進步、器件結構改進與使用寬禁帶材料等幾個方面的演進。在制造工藝上，線寬制程從10 微米縮減至0.15-0.35 微米，提升了功率器件的密度、品質因數（FOM）以及開關效率；在器件結構改進方面，功率器件經歷了平面（Planar）、溝槽（Trench）、超級結（Super Junction）等器件結構的變化，進一步提高了器件的功率密度和工作頻率；而在材料方面，新興的第三代半導體功率器件采用了碳化硅（SiC）、氮化鎵(GaN)材料，進一步提升了器件的開關特性、降低了功耗，也改善了其高溫特性。

MOSFET 功率器件的技術的整體演進情況

資料來源：宏微科技

發展至今，按照類別的不同，功率半導體逐漸形成了功率IC 和功率器件兩大類。其中，MOSFET和IGBT屬于電壓控制型開關器件，相比于功率三極管、晶閘管等電流控制型開關器件，具有易于驅動、開關速度快、損耗低等特點，逐漸成為功率器件的主流產品，目前二者合計占比約為71%。

資料來源：Omdia

市場規模方面，根據Omdia的數據，2020年全球功率半導體市場規模達到 452 億美元，其中功率 IC 市場規模為 243 億美元，功率器件市場規模為 209 億美元。功率器件中，二極管、晶閘管、BJT、功率 MOS 和 IGBT 的市場規模分別為 38.7 億美元、4.7 億美元、18.1 億美元、81 億美元和 66.5 億美元。隨著“雙碳”政策的逐步推進，據其預測到2024年全球功率半導體市場規模達到522億美元。

作為全球最大的功率半導體消費國，2020年中國功率半導體市場規模達到172 億美元，占全球市場比例高達38%。預計未來中國功率半導體將繼續保持平穩增長，2024 年市場規模有望達到206 億美元。

功率半導體前十被美日歐大廠壟斷，國內從中低端產品破局以實現部分進口替代

功率半導體作為電力電子裝置電能轉換與電路控制的核心，能夠實現變頻、變相、變壓、逆變等功能，在當前的大功率、大電流、高頻高速等應用領域有著無法替代的關鍵作用，國內外眾多半導體廠商都把其作為業務布局的重點。

國際市場方面，根據Omdia的數據，2021年前十大功率半導體為英飛凌、安森美、意法半導體、三菱電機、富士電機、東芝、威仕、安世半導體、瑞薩、羅姆。其中，排名第一的英飛凌以48.69億美元的銷售額排名第一，市占率約20%左右。作為西門子集團的半導體部門獨立出來的公司，憑借早前的技術積累，英飛凌在IPM、變頻器、中壓(風電，地鐵)、高壓(高鐵，電網)、電動車、光伏等功率半導體領域占據優勢地位；安森美以20.51億美元的銷售額緊隨其后排名第二，市占率約9%左右；第3-10名合計市占率約30%左右，排名每年都稍微有所變化。

資料來源：Omdia

此外，值得注意的是企業榜單中有一半為日本企業，分別是三菱電機(第4)、富士電機(第5)、東芝(第6)、瑞薩(第9)、羅姆(第10)，五家企業的營收在過去三年內大體保持在榜單總營收的32%~33%左右。其中，三菱電機作為日本功率半導體的龍頭，其在單管、IPM、高鐵、電網、電動車等中高壓功率半導體領域占據優勢地位。

IGBT各電壓區間主要廠商出貨量排名

資料來源：Yole

相比美日歐廠商強勢的市占率，中國在全球功率半導體榜單中僅有安世半導體入選前十。據了解，安世半導體曾為飛利浦半導體標準產品事業部，擁有60年左右的發展歷史，于2019年被聞泰科技收購，目前在全球擁有14000余員工、自有工廠6個，其產品線中二極管產品居于全球排名第一，小型號 MOSFET 居于全球排名第二。

安世半導體主要業務情況

資料來源：安世半導體

國內市場方面，我國功率二極管、功率三極管、晶閘管等功率器件產品大部分已實現國產化，而功率MOSFET 特別是超級結MOSFET、IGBT 等高端功率器件產品由于其技術及工藝的復雜度，還較大程度上依賴進口。

雖然國際大廠目前占據主要市場，但由于其高端產品價格高昂，無法滿足國內迅速爆發的市場需求，導致國內市場供求失衡。近年來，在國家產業政策的鼓勵和行業技術水平不斷提升等多重利好因素推動下，行業內部分企業對國際先進技術的持續引進，以及通過“細分產品+性價比”的自主創新方式逐步形成了自身的競爭力，并獲得了快速發展。

根據中國半導體行業協會的數據，2021年我國功率半導體前十大企業為安世半導體、華潤微、揚杰科技、士蘭微、華微電子、捷捷微電、斯達半導、新潔能、比亞迪半導體、時代電氣。前十大企業中，安世半導體產品覆蓋最為全面，基本上涵蓋了二極管、MOS、IGBT、SiC等主要品線；此外，士蘭微、華潤微、揚杰科技等老牌功率器件廠商產品也基本上覆蓋了市場主流的MOS和IGBT產品；而比亞迪半導體和時代電氣，背靠母公司擁有強大的終端市場，相關功率器件產品除了自用外，也走向市場開始向其他大客戶實現了批量出貨。

功率器件應用廣泛，在新能源汽車及新能源發電等增量市場空間巨大

作為電能轉換與電路控制的核心器件，功率半導體在電子電路中起到功率轉換、功率放大、功率開關、線路保護和整流等作用，廣泛應用于汽車、工業控制、新能源發電、消費電子、5G通訊、軌道交通等電力電子領域，以助其實現提高能量轉換率、減少功率損耗的電力轉換目標。

從全球功率半導體下游應用分布來看，根據集邦咨詢的數據，汽車、工業和消費電子為主要的需求來源，三者連續多年合計占比在75%以上。具體來看，汽車領域占比為30%，工業領域占比27%，消費電子占比22%，其余合計占比約為21%。

數據來源：集邦咨詢

（一）汽車功率半導體量價齊升，已晉升為功率器件最大的應用市場

汽車是功率半導體最主要的下游應用領域，新能源汽車驅動其市場快速發展。

應用場景方面，汽車電動化帶來內部功率半導體應用場景快速增加。相較于燃料汽車，電動車功率器件對工作電流和電壓有更高要求，新增需求主要來自以下幾個方面：逆變器中的IGBT 模塊、DC/DC 中的高壓MOSFET、輔助電器中的IGBT 分立器件、OBC 中的超級結MOSFET。

汽車功率半導體主要應用場景

資料來源：英飛凌

價值量方面，相較于傳統燃油車，新能源汽車的功率半導體單車價值量有顯著的提升。一般而言，新能源車的功率越大，電氣化程度越高，單車功率半導體價值量越大。根據英飛凌數據，新能源汽車的單車功率半導體價值量可達到 400 美元，約為傳統燃油車的 5 倍。在量價齊升的帶動下，汽車領域功率半導體市場份額逐年提高，目前占比已經超過工業，成為功率半導體第一大應用市場。

數據來源：英飛凌

（二）工業控制及自動化對功率半導體需求不斷增長

功率半導體對于工廠的進一步自動化至關重要，隨著制造業的不斷升級，工業的生產制造、物流等流程改造對具有較高效能的功率半導體器件需求不斷增大，預計未來將保持較快增速。

以IGBT為例，作為電力電子技術最具代表性的產品，IGBT是工業控制及自動化領域的核心元器件，能夠根據工業裝置中的信號指令來調節電路中的電壓、電流、頻率、相位等，以實現精準調控的目的，應用場景包括變頻器、逆變焊機、電磁感應加熱、工業電源等。

根據集邦咨詢數據，2021年全球工業控制IGBT市場規模約為150億元，其中我國工業控制 IGBT市場規模約為35億元，約占全球市場的1/4。預計未來4年將保持在3%-5%的穩定增長，到2025年全球工業控制 IGBT市場規模將達到170億元。

資料來源：集邦咨詢

以工控領域最常用的變頻器為例，變頻器是改變供電頻率，從而調節負載，起到降低功耗，減小運行設備損耗，延長設備使用的電力控制設備。其中，IGBT 模塊在變頻器的制動和 DC/AC 部分起逆變開關作用，是變頻器的核心器件，在行業內廣泛使用。

森未科技IGBT模塊SF450R12E6

資料來源：森未科技

（三）新能源發電成為功率半導體主要的增量市場

在新能源領域，光伏、儲能、風力發電等對功率半導體存在大量需求。

以光伏為例，根據國際能源署(IEA)的數據，2021 年全球光伏發電累計裝機942GW，同比增長22.8%。其中，中國累計裝機308.5GW，同比增長21.7%，位居世界第一。而在光伏逆變器領域，中國廠商持續發力，陽光電源、華為、錦浪科技已位列全球出貨量前三，暫時形成“三足鼎立”的格局。

資料來源：IHS Markit

據錦浪科技的公告顯示，以IGBT為主的半導體器件占逆變器成本約10%左右，對電能起到整流、逆變等作用，以實現新能源發電的交流并網、儲能電池的充放電等功能。因此IGBT 等功率器件將充分受光、儲、風電的高速發展。根據天風證券的測算，全球風電、光伏及儲能對IGBT的需求價值量將由2021年的86.7億元增長至2025年的182.50 億元。

與國外大廠相比，國內光儲IGBT在產品穩定性、技術指標上存在一定差距，未能完全符合產品技術要求，因此目前在這一塊國內生產商較少，2020年國內光伏儲能IGBT國產化率接近為零。不過，好現象是以分布式光伏為基礎的光儲充一體化的推進望改變這一狀況。2021年，斯達半導、士蘭微、時代電氣、揚杰科技、新潔能光伏 IGBT 收入均有突破。未來，隨著光儲充一體化的普及，相關公司有望迎來快速放量增長。

（四）消費市場的增量來源于快充及家電變頻市場

1、快充的普及帶動氮化鎵功率芯片快速發展

近年來，隨著人們對充電要求的逐步提高，手機充電出現了“快充”模式，以成本更低、體積更小、集中度更高的GaN為材料的快充充電器發展迅速，帶動功率半導體需求上漲。

一般而言，快充模式主要通過提高電壓來達到高電流充電，但高電壓伴隨著安全隱患，需要添加同步整流的MOS管來調整。后來，出現較為安全閃充模式，即通過低電壓低電流來實現高速充電，這對同步整流MOS管的要求更高。發展至今，目前行業內較為普遍使用的是GaN-mos管，它可以實現發熱少、體積小的目的。

以小米65W GaN PD快充充電器為例，相比普通65W PD快充和45W PD快充，使用GaN有效縮小了快充充電頭體積。根據Yale預測，2022年GaN電源目標市場將達到2.4億美元，其中GaN充電器成為貢獻最大的“爆品”。

小米65W GaN PD快充

資料來源：充電頭網

在GaN充電器市場規模迅速擴大的同時，與之配套的GaN功率芯片的需求也有望進一步上升。目前，在該領域，納微（Navitas）處于行業領先地位，包括小米、OPPO、倍思、安克等廠商都使用的是納微的氮化鎵功率芯片。據納微披露，早在2021年5月，公司的氮化鎵功率芯片出貨量就已經超過2000萬片，目前公司也在積極擴大生產，以滿足行業持續增長的需求。

2、傳統家電逐漸向變頻化發展對IPM模塊的需求進一步增長

在家電領域，傳統家電逐漸向變頻化發展，不僅能夠促進IPM 市場的持續擴張，更能夠給IGBT、MOSFET 提供穩定的市場需求。

滲透率方面，根據中怡康的數據，2020年智能變頻家電產品中白電、廚電、生活電器等智能家電中變頻家電占比分別為45%、25%和28%，未來有較大的升級空間。

從MOSFET、IGBT 等功率器件整體用量來看，據英飛凌數據顯示，變頻家電單機功率半導體價值可達9.5 歐元，相比非變頻家電增長近13 倍。受益家電變頻化需求推動，全球家電相關功率半導體規模有望從2017 年的26.45 億歐元增長至2022 年的57.79 億歐元，年均復合增速達17%。

資料來源：英飛凌

（五）5G通訊對功率半導體器件的需求實現4倍增長

通訊方面，隨著5G通信基站建設的加速將帶來巨大的功率半導體需求，主要驅動力來自于基站密集度和功率要求、Massive MIMO射頻天線、霧運算和云計算的需求提升。

根據華為官網公布的數據顯示，4G 基站所需功率為6.877kW，而5G 基站所需功率為11.577kW，提升幅度達到68%。對于多通道基站，功率要求甚至可能達到20kW。更高的覆蓋密度、更大的功率需求對MOSFET 等功率器件產生了更大的需求。

資料來源：東微半導體

此外，5G 網絡主要部署在高頻頻段，即毫米波頻段（mmWave）。因接收功率與波長的平方成正比，毫米波的信號衰減嚴重，而發射功率又受到限制，所以5G網絡部署需要使用Massive MIMO 技術來增加發射天線和接收天線的數量。根據英飛凌的統計，傳統MIMO天線需要的功率半導體價值大約為25美元，而過渡為Massvie MIMO 天線陣列后，所需的MOSFET 等功率半導體價值增加至100 美元，達到原來的4 倍。

與傳統MOSFET 技術相比，采用電荷平衡理論的超級結MOSFET 功率器件能夠顯著降低高電壓下MOSFET 單位面積的導通電阻。同時，超級結MOSFET 擁有極低的FOM值，從而擁有極低的開關能量損耗和驅動能量損耗。因此，超級結 MOSFET未來有望在基站數量和單機價值量的“量價雙擊”下實現高速增長，預計到2025 年全球5G通信基站超結 MOS 市場規模有望達 到1.99 億元，其中中國市場規模為1.40 億元。

（六）軌道交通IGBT國產替代空間較大

功率半導體除了在新能源汽車廣泛使用外，在軌道交通領域的應用也在逐步加大。

以高鐵為例，高鐵將高壓交流電經過牽引變流器轉換成可調幅調頻的三相交流電，輸入三相異步/同步牽引電機，并通過傳動系統帶動車輪運行，而IGBT 則是牽引電轉動的核心。截止2021 年4 月，全國鐵路營業里程從2012 年的9.8 萬公里上升到了14.63 萬公里，增長率高達49.29%。此外，還有地鐵、輕軌等一系列軌道交通應用場景，IGBT 在此領域仍存在較大的增長空間。

值得注意的是，雖然中國已成為世界上高鐵系統技術最全、集成能力最強、運營里程最長、運行速度最高、在建規模最大的國家，但目前我國在該領域的IGBT器件主要還是采用ABB、三菱、英飛凌、東芝等大廠的產品，國內僅有時代電氣等少數廠商能夠擁有該方面的技術及產品儲備。不過這是挑戰也是機遇，隨著我國功率器件廠商的技術的逐步發展，未來這一塊國產替代空間較為廣闊。

半導體功率器件起源于歐美，日本后來居上占了半壁江山。和國外廠商相比，國內功率器件行業的產品結構、技術水平和創新能力仍存在較大的差距，部分高端MOSFET、IGBT產品仍大量依賴進口。

不過，好消息是功率器件和數字芯片有所不同，其技術迭代速度較慢，使用周期較長，且客戶主要追求的是產品的穩定性和可靠性，對新技術的追求意愿不高。因此，雖然目前差距較大，但是行業留給了本土功率器件廠家充足的發展和追趕的時間。

通過對國際先進技術的持續引進以及自主創新，國內優質企業在技術水平、生產工藝和產品質量等方面已經取得重大突破，并憑借其成本、區域優勢逐步實現相關產品的進口替代。未來，隨著技術水平的提升以及管理經驗的積累，國內相關企業有望進一步對國外企業形成競爭優勢，占據更大的市場空間。

編輯：黃飛

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